威寧冰雹落點時空分布特征

曹 水,李 瑋,鄒書平1，,曾 勇,楊 哲

(1.貴州省冰雹防控工程技術中心,貴州 貴陽 550081;2.貴州省大氣探測技術與保障中心,貴州 貴陽 550081; 3.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081;4.貴州省氣象災害防御技術中心,貴州 貴陽 550081)

1 引言

冰雹是由強對流天氣系統(tǒng)引起的一種嚴重的天氣災害，對農(nóng)業(yè)、交通和人民生命財產(chǎn)安全等都能造成嚴重影響[1]。孫杭生等根據(jù)我國降雹日把中國冰雹分布劃分為南北兩個多雹帶[2]，南方多雹帶主要分布在海拔1～2 km的云貴高原，云貴高原冰雹帶又集中分布在云貴高原臺地和斜坡過渡帶區(qū)域內(nèi)，主要位于云南東部和貴州中西部。威寧縣地處云貴高原臺地和斜坡過渡帶核心區(qū)域內(nèi)，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，境內(nèi)中部開闊平緩，四周低矮，峰壑交錯，平均海拔2.2 km，由于海拔高，境內(nèi)冰雹災害頻發(fā)、多發(fā)，具有該區(qū)域冰雹發(fā)生、發(fā)展的典型性和代表性。

目前，國內(nèi)專家學者[3-6]多從省、市等大區(qū)域范圍研究分析冰雹的時空分布特征，在雹區(qū)分布、冰雹形成機制等方面，提供了大量的技術方法和經(jīng)驗，但對縣域級的冰雹時空分布特征研究較少。

本文通過ArcGIS空間插值等方法對縣域級的冰雹時空分布進行研究，期望通過研究縣域級的冰雹時空分布特征，對威寧縣防雹減災、農(nóng)作物種植區(qū)域和氣象觀測設備布局規(guī)劃等方面提供一定的參考依據(jù)。

2 資料來源和數(shù)據(jù)處理方法

2.1 資料來源

本文采用威寧縣37個炮站2010—2017年降雹資料，以每個炮站觀測到的降雹作為一條降雹記錄，但是一塊冰雹云在移動過程中，沿途有多個降雹點且降雹點地理位置不同，此時降雹記錄次數(shù)根據(jù)降雹點個數(shù)來決定，算多次降雹記錄。資料內(nèi)容包括降雹開始時間、降雹結束時間、降雹地點、冰雹直徑、降雹密度和受災程度。其中一條降雹記錄代表一次降雹次數(shù)。數(shù)字高程模型圖采用30 m分辨率的ASTGTM2數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 降雹資料處理 在處理降雹資料過程中發(fā)現(xiàn)，降雹記錄存在重復、記錄不全和有誤數(shù)據(jù)，其中在處理部分有誤數(shù)據(jù)時，由于時間長、跨度大不能憑記憶來進行篩選，本文采取的冰雹記錄數(shù)據(jù)處理方法為：①找到和有誤數(shù)據(jù)時間相對應的雷達基數(shù)據(jù)；②通過對雷達基數(shù)據(jù)進行雷達回波動畫處理，找出雷達回波路徑；③通過對比降雹記錄點是否在雷達回波路徑上，從而篩選出真實有效的降雹數(shù)據(jù)。本次共篩選出272條有效降雹記錄(表1)，其中冰雹成災次數(shù)是通過統(tǒng)計降雹資料中的農(nóng)作物受災情況作為依據(jù)，如降雹次數(shù)中存在農(nóng)作物受災的情況，則算為成災次數(shù)。

表1 2010—2017年威寧縣各月降雹數(shù)據(jù)Tab.1 Monthly Hail in Weining County, 2010—2017

2.2.2 炮站降雹次數(shù)處理 利用ArcGIS中數(shù)據(jù)管理功能，經(jīng)過經(jīng)緯度坐標轉換，對炮站進行地理坐標投影，將帶有地理坐標系的炮站與威寧縣行政區(qū)劃圖進行疊加，并將降雹次數(shù)賦值給炮站，得到威寧炮站布局及降雹次數(shù)(圖1)。

圖1 2010—2017年威寧縣炮站布局及降雹次數(shù)Fig.1 The Distribution of Weining County Artillery Station and Frequency of Hail during 2010—2017

3 冰雹落點時空分布特征

本文研究分析冰雹落點分布，通過ArcGIS軟件中的空間分析功能，根據(jù)炮站分布和降雹次數(shù)進行空間插值，以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，通過對鄰近區(qū)域的每個采樣點值平均運算獲得內(nèi)插單元。

為了更直觀的顯示不同區(qū)域的降雹分布特征，將每一個炮站降雹次數(shù)按照相等間隔分類統(tǒng)計法分為5個類別，得到威寧縣降雹概率分布圖(圖2)。

圖2 2010—2017年威寧縣降雹概率分布Fig.2 Distribution of Hail Probability in Weining County during 2010—2017

3.1 冰雹落點空間分布

柯莉萍等[7]通過威寧縣雷達觀測資料和冰雹日數(shù)受災情況分析得出威寧冰雹主要路徑(圖3)，縣內(nèi)冰雹主要出現(xiàn)在縣的北部、西部至西北部、南部至西南部一線。

從圖2威寧縣降雹概率分布中發(fā)現(xiàn)，威寧縣冰雹落點分布趨勢呈南北向分布的一條多雹帶，境內(nèi)有多個區(qū)域降雹次數(shù)較多，其中雪山降雹次數(shù)多達20次，每年平均降雹次數(shù)為2.2次，得磨、兔街、云貴和牛棚次之，每年平均降雹次數(shù)為1.7～1.8次；西部至西北部降雹次數(shù)較少，平均為0.4次左右。

威寧冰雹受大氣環(huán)流和地形等因素影響，縣內(nèi)冰雹分為兩種降雹類型：一類是大范圍帶狀分布性降雹：另一類是暖氣團內(nèi)局地單點性降雹。

大范圍帶狀分布性降雹：環(huán)流形勢是在地面冷鋒和高空槽，切變線的前部，呈帶狀分布，由于受地形地勢的影響，常隨切變線東南移呈跳躍式的前進。

暖氣團內(nèi)局地單點性降雹：地面氣溫高易形成低壓，熱力對流強烈，高空受孟加拉灣南支槽影響，無冷空氣南下等因素的影響，容易產(chǎn)生局地單點性降雹，此類降雹范圍較小。

威寧縣西部牛棚站降雹次數(shù)較周邊炮站降雹次數(shù)較多，根據(jù)王瑾等[8]在研究貴州冰雹分布與地形因子關系中發(fā)現(xiàn)，大范圍的地勢抬升及暖濕空氣的迎風坡有利于降雹，從圖3分析得知，牛棚站處于谷地和高山之間，周邊地形平緩，并且在冰雹移動路徑上的迎風坡，有利于冰雹的形成，降雹次數(shù)較周邊偏多。

在3條主要冰雹路徑中，威寧縣西部和西北部冰雹路徑上的降雹概率明顯偏低，分析威寧冰雹主要路徑(圖3)和炮站布局，發(fā)現(xiàn)西部至西北部的冰雹移動路徑上布置的炮站較其他區(qū)域密度大，結合周永水等[5]利用1971—2007年貴州省觀測站有記錄的實測冰雹資料，通過以10 a為周期對最近30 a的冰雹頻數(shù)研究，貴州的冰雹發(fā)生頻數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。同時柯莉萍等[7]對威寧縣1997—2014年的降雹資料研究發(fā)現(xiàn)，冰雹日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。

根據(jù)歷史降雹資料研究結論可以得知，冰雹減少與炮站布局程度存在一定的關系，炮站布局越多，冰雹降雹次數(shù)越少，所以在炮站布局密集的區(qū)域降雹次數(shù)明顯偏低，客觀上講人影作業(yè)在人工防雹中具有一定的成效。

圖3 威寧數(shù)字高程模型和冰雹主要路徑[7]Fig.3 Digital Elevation Model and Hail Main Path in Weining County

3.2 冰雹落點時間分布

本文根據(jù)威寧縣降雹數(shù)據(jù)分析，威寧降雹時間主要集中在每年的4—8月份，7月降雹次數(shù)多達94次，占總降雹次數(shù)的34.6%，平均年降雹次數(shù)為11.8次。文中涉及到的冰雹成災率是根據(jù)本月成災次數(shù)除以本月總降雹次數(shù)得到。

通過計算各月冰雹數(shù)據(jù)得到4—8月冰雹成災率(表2)，其中4月冰雹成災次數(shù)和成災率分別為12次和24%，為4—8月中降雹成災次數(shù)最少和成災率最低的月份。經(jīng)分析威寧當?shù)貧夂蚝娃r(nóng)作物種植時間等因素，受氣候和高海拔的影響，4月氣溫相對于同緯度低海拔地區(qū)，溫度較低，平均溫度在11.5 ℃左右，馬鈴薯、煙草等經(jīng)濟作物種植時間較晚，一般在4月底開始種植，冰雹災害對易受損的農(nóng)作物影響較小，導致成災率低。

表2 2010—2017年威寧縣各月降雹數(shù)據(jù)Tab.2 Monthly Hail of Weining County during 2010—2017

4 結論與討論

①研究表明：在空間分布上，由于炮站分布和地勢抬升及暖濕空氣的迎風坡等地形因素的影響，冰雹落點在空間分布上具有帶狀和局地單點性降雹的空間分布特征。

②炮站布局于降雹次數(shù)存在一定的反比關系，即炮站布局區(qū)域越密集，降雹次數(shù)越少。

③在時間上，降雹次數(shù)最多的月份發(fā)生在7月，占總降雹次數(shù)的34.6%；4月份冰雹成災次數(shù)是最少，占總成災次數(shù)中的8.7%，是由于威寧本地氣候環(huán)境和農(nóng)作物種植時間等原因，導致4月份冰雹成災次數(shù)較其他月份偏少。

④構建威寧降雹概率分布圖，可以為今后的區(qū)域性農(nóng)業(yè)布局和氣象觀測設備規(guī)劃提供一定的理論依據(jù)。